CN102812328B - 具有非线性补偿的角测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

借助谐振器进行角测量的方法，所述谐振器与用于设置成振动的装置以及用于检测振动的装置(5.1，5.1)相联，这些装置连接于处理电路(10，100)，控制信号和测量信号流过所述处理电路，所述方法包括对测量信号进行数字化的步骤以及从测量信号推导出角测量的步骤，其特征在于，所述方法还包括下列步骤：执行数字化测量信号的频谱分析，由此检测其中的谐波失真；校正流过处理电路的至少一些信号，由此使非线性衰减。用于实现这种方法的设备。

Description

具有非线性补偿的角测量的方法和设备

本发明涉及采用被设置成振动的谐振器的角测量的方法和设备。

这种装置或振动陀螺仪包括谐振器，该谐振器与用于设置成谐振的装置以及用于检测振动的装置相关联。设置成振动的装置和检测装置，例如静电换能器，被连接于处理电路，控制信号和测量或检测信号流过该处理电路。

测量的准确性取决于对给予谐振器的振动的掌控，谐振器对拟测量的角度载荷的响应直接依赖于振动的变化。

振动陀螺仪的应用因此需要测量振动的参数以监视其中的改变。

事实上，起因于静电换能器的检测信号一般分布在两个或更多个组中，使得观察振动变为可能。在换能器偏移一高DC电压的情形下，这些信号是时间的正弦曲线函数，其幅度和频率分别在施加于陀螺仪壳体的运动和温度的影响下改变。拟测量的运动被表征为几百赫兹的通频带，并通过若干秒的热时间常数滤除热波动。结果，检测到的信号的频谱被集中在一个频段内，该频段在谐振频率的任一侧延伸过几百赫兹。

使用半球形谐振器，在由换能器形成的底部中观察到的信号表现出一种椭圆形轨迹，其特征是其长轴长度p及其短轴长度q遵循下列方程：

$p\·\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right)\·\cos \mathrm{\φ}+q\·\left(\begin{array}{c}-\sin \mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\·\sin \mathrm{\φ}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}={\mathrm{\ω}}_0=2\·\mathrm{\π}\·F_0$

角度θ表征振动相对于装置壳体的方向，而相位φ是相对于谐振角频率ω₀的时间的积分。

为了帮助其处理，通过处理电路的模/数转换系统对测量信号进行数字化。现在，转换系统的非线性影响了θ的估算。比如，相对于全比例的100ppm的非线性造成θ估算中100μ弧度数量级的误差。

可在工厂中在各工作温度下识别这些误差。通过对这些误差建模(表格、多项式)，则可以校正电角度的估算。最好地，这种方案使其可能补偿初始缺陷，但面对由于例如硬件器件的老化造成的变化仍然无能为力。

本发明的目的是提供一种限制误差随时间改变的影响的解决方案。

为此，根据本发明，这里提供一种借助谐振器进行角测量的方法，该谐振器与用于设置成振动的装置以及用于检测振动的装置相关联，这些装置连接于处理电路，控制信号和测量信号流过该处理电路，该方法包括对测量信号作数字化的步骤和从测量信号推导出角测量的步骤，其特征在于，该方法还包括下列步骤：

－执行数字化测量信号的频谱分析，由此检测其中起因于非线性的谐波失真；

－校正流过处理电路的至少一些信号，由此使非线性衰减。

本发明的方法因此利用起因于谐振器的信号的高频谱纯度以校正在操作中的数字化系统的线性缺陷。该方法利用数字化系统的非线性由测量信号中的谐振频率的频谱线谐波的出现所揭露的事实。为此，例如将补偿表关联于转换系统，由此使其操作线性化，然后以这样一种方式驱动以消除数字化信号的谐波失真。

根据第一实施例，校正与测量信号有关。

该方法随后确保测量信号的校正。

较为有利地，校正也与控制信号有关。

控制信号校正与测量信号校正的关联使其能够提高本发明方法的有效性。

根据一种特别有效的参数化，在数字化过程中，在接近谐振频率倒数的时长内以相对于谐振器的谐振频率较高的频率对测量信号进行采样，有利地，采样频率至少等于(2n+1)F0，其中F0是谐振频率而n是可观察谐波的最高阶次。

这些参数允许对第一n个谐波上的谐波失真的最佳检测。

有利地，在谐波幅度估算后借助以反复方式调节的补偿表执行校正，优选地，幅度的估算是通过最小二乘机制实现的。

这使随时间优化补偿表的参数变得可能。

根据有利的附加特征，设置成振动的装置和用于检测的装置包括静电元件，该方法包括识别阶段，该识别阶段包括步骤：通过以使检测信号的幅度在谐振器的谐振频率下保持恒定的方式驱动谐振器，从而改变静电元件的偏置电压。

这使得将关联于电子电路的电子非线性的影响从关联于检测器本身的非线性的影响中分离出来变为可能。在该步骤中，振动幅度反比于高电压地变化，由此使检测器的非线性改变。谐振频率下的电流保持恒定，电子非线性在该过程中以相同方式引起或产生。在工厂中执行的校正期间，可使用这种方法的步骤以识别和补偿检测器的非线性。这些非线性很小且非常稳定，在接下来的测量过程中不需要再重复它们的识别。在测量方法接下来的实现中，只有电子器件的非线性才需要被校正。

本发明的主题也是实现前述方法的设备。这种设备包括与静电元件相关联的谐振器，所述静电元件连接于处理电路，控制信号和测量信号流过该处理电路，该处理电路包括模/数转换器、电荷放大器以及设计成执行测量信号的频谱分析以检测其中的谐波失真并设计成借助补偿表校正流过处理电路的至少一些信号以使谐波失真衰减的处理器件。

在阅读下面对本发明实现方式的具体非限定模式的描述后，本发明的其它特征和优点将浮现出。

现在参见附图，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的测量设备的框图；

图2是根据第二实施例的类似于图1的设备的视图。

本发明在这里描述为应用于振动的陀螺仪，该陀螺仪包括半球形谐振器，该半球形谐振器具有：环形边，该环形边设有电极；以及中央脚，该中央脚固定于电极承载板，该电极承载板设有电极，该电极面向固定于半球形谐振器的环形边的电极，这两个电极成对地形成以构成静电换能器。

这对电极分布在两个组中，每个组通过通路1或2连接于处理电路。

这种结构本身是已知的，并因此在这里不再详细描述。

在图1的第一实现模式中，这对电极要么用于检测要么用于设置成振动，并且只有检测电极对5.1、5.2和用于处理从检测电极对5.1、5.2发出的测量信号的处理电路的一部分(总地表示为10)被示出。

部分10包括时分多路复用部件11，该时分多路复用部件11的输入连接于两个通路1、2而其输出连接于电荷放大器12的输入，所述电荷放大器12具有连接于模/数转换器13的输出，该模/数转换器13被设计成将来源于检测电极对5.1、5.2的测量信号数字化。这些硬件组件本身是已知的。

多路复用能遏制两通路之间的增益差，该增益差会导致角估算的误差。

模/数转换器13的输出连接于处理部件14，该处理部件14被设计成实现本发明的方法。

该方法包括步骤：着眼于检测数字化测量信号中的谐波失真而执行数字化测量信号的频谱分析；以及借助补偿表校正数字化测量信号以使在数字化测量信号中检测到的谐波失真衰减。这些谐波失真是起因于由模/数转换器13实现的数字化过程的非线性的表征。

模/数转换器13被编程以在接近谐振频率的倒数的时长内在相对于谐振器的谐振频率更高的频率下对测量信号进行采样。采样频率在这里至少等于(2n+1)F0，其中F0是谐振频率而n是可观察谐波的最高阶次。

处理部件14进一步被设计成在谐波幅度估算后以反复方式调节补偿表。

在如此短的采样时长(一般为100μs)内，参数p、q、θ和ω(参见在序言部分提到的振动方程)能大致认为是具有可接受的近似程度的常数。事实上，与热关联的p、q和ω的变化具有非常小的动态摆幅。在例如战术导弹的最快速载体上，将角度建模为时间的仿射函数是有利的，这等于通过估算水平上的常数来近似计算角速度。例如最小二乘式的处理则使估算诸谐波中的每一个的幅度变得可能。然后以反复方式调整补偿表，从而使谐波失真最小化。

经数字化和校正的测量信号随后被馈送至计算单元(未示出)，该计算单元从中推导出角测量。

该方法还包括例如在将实现本发明方法的设备投入市场前在工厂中执行的在先识别阶段，该在先识别阶段包括步骤：通过以使测量信号的振幅在谐振器的谐振频率下保持恒定的方式驱动谐振器来改变静电换能器的偏置电压。

事实上，在某些情形下，单独地补偿电子和静电非线性是有利的。为了分离这两种影响，需要通过驱动谐振器来改变偏置电压，以使在F₀下检测到的电流的幅度保持恒定。在这种情形下，振动幅度反比于高电压地变化，由此静电非线性改变。F₀下的电流保持恒定，电子非线性在该过程中以相同方式引起。静电非线性则能通过本身已知的校正步骤只此一次地被校正，并且只有电子非线性需要通过本发明的方法中提供的补偿所校正。

在图2所示的第二实现模式中，电极对5.1、5.2被连接于总地表示为100的处理电路，并在轮流地专门用于设置成振动和检测振动的期间在用以设置成振动的驱动器的伪装下和在检测器的伪装下被相继使用。这使维持小的平均漂移变得可能。

处理电路100包括多路复用/去多路复用器件123，该多路复用/去多路复用器件123一方面连接于两个通路1、2且另一方面连接于处理电路100的输入支路121和输出支路122。

输入支路121包括连接于处理器件114的第一输入的开关124，该处理器件114被设计成实现本发明的方法。处理器件114的第一输出连接于数/模转换器125本身，该数/模转换器125连接于多路复用/去多路复用器件123。

输出支路122包括电荷放大器112，该电荷放大器112具有连接于多路复用/去多路复用器件123的输入以及连接于具有高增益的放大器132的输出，所述具有高增益的放大器132连接于模/数转换器113。模/数转换器113连接于处理器件114的第二输入。

处理器件114包括校正器115C(z)，该校正器115C(z)具有连接于输出支路112的输入以及连接于角度计算单元并连接于补偿表116以驱动补偿表116的输出。补偿表116连接于在开关124下游的输入支路121。

开关124拥有第一状态，在第一状态下开关124将输入支路121连接于一单元(未示出)以发出控制信号，开关124还具有第二状态，在第二状态下开关124在校正器115的输出处将输出支路114连接于输入支路121。

要注意，电荷放大器112在这里通过电阻器117形成环路，该电阻器117将输入支路连接于将电荷放大器112的输入连接于输出支路的节点，但也可使用电容器或任何其它阻抗。对于与电荷放大器112并联于输出支路的电阻器，评述也是如此。

在通路1检测阶段(开关处于其第一状态)，通路1的换能器连接于将电荷放大器112连接于输出支路122的节点，而通路2的换能器接地。在由模/数转换器113转换之前，通路1上检测到的电流由电荷放大器112和高增益放大器132放大。数字校正器115以这样一种方式通过补偿表116来驱动数/模转换器123，即令数/模转换器123通过电阻器117补偿在通路1上检测到的电流。高增益放大器132的增益使关联于模/数转换器113的误差减小，该模/数转换器113随后作为零位检测器工作，而数/模转换器123的控制是检测到的电流的图像。作为第一近似，检测线性性能依赖于与补偿表116关联的数/模转换器123。

在通路2检测阶段，换能器的角色是颠倒的。

在通路1控制阶段(开关处于其第二状态)，通路1的换能器连接于数-模转换器123的输出，而通路2的换能器接地。由控制信号发射单元制定的控制随后通过由补偿表116和数/模转换器123构成的组件施加。控制线性性能依赖于与补偿表116关联的数/模转换器123。

在通路2控制阶段，换能器的角色是颠倒的。

在这种操作中，在检测阶段采集的观察被用来补偿数/模转换器123的非线性，就像在第一实现模式的情形中那样。控制链的线性误差已在检测阶段期间被补偿，因此可以没有线性误差地施加控制。

当然，本发明不限于所描述的实现模式，而是涵盖落在诸如由权利要求限定的本发明的范围内的任何变化形式。

尤其，尽管在附图中已示出两个换能器，但本发明适用于任何数量的换能器。

陀螺仪可具有与所描述的不同结构，尤其是就谐振器的形状而言。

校正可关系到测量信号和/或控制信号中的全部或一些。

Claims (9)

1.借助谐振器进行角测量的方法，所述谐振器与用于设置成振动的装置以及用于检测振动的装置(5.1,5.1)相关联，这些装置连接于处理电路(10,100)，控制信号和测量信号流过所述处理电路，所述方法包括对测量信号进行数字化的步骤以及从测量信号推导出角测量的步骤，其特征在于，所述方法还包括下列步骤：

－执行数字化测量信号的频谱分析，由此检测其中起因于非线性的谐波失真；

－校正流过所述处理电路的至少一些信号，由此使非线性衰减。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正关系到所述测量信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述校正也关系到所述控制信号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述数字化过程中，在接近谐振频率的倒数的时长内在相对于所述谐振器的谐振频率更高的频率下对所述测量信号进行采样。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述进行采样的频率至少等于(2n+1)F0，其中F0是谐振频率而n是可观察谐波的最高阶次。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正是在谐波幅度估算后借助以反复方式调整的补偿表(116)而执行的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述幅度的估算是通过最小二乘机制实现的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设置成振动的装置和用于检测的装置包括静电元件(5.1，5.2)，所述方法包括识别阶段，所述识别阶段包括步骤：通过以使检测信号的幅度在谐振器的谐振频率下保持恒定的方式驱动谐振器，从而改变所述静电元件的偏置电压。

9.实现作为前面任何一项权利要求的主题的方法的角测量设备，所述设备包括与静电元件(5.1，5.2)关联的谐振器，所述静电元件(5.1，5.2)连接于处理电路(10，100)，控制信号和测量信号流过所述处理电路，所述处理电路包括模/数转换器(13，113)、电荷放大器(12，112)以及处理器件(14，114)，所述处理器件被设计成执行测量信号的频谱分析以检测其中的谐波失真并被设计成借助补偿表(116)校正流过所述处理电路的至少一些信号由此使所述谐波失真衰减。